JP5434782B2 - Magnetic measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、磁気計測装置に関する。 The present invention relates to a magnetic measuring device.
生体の心臓等から発せられる磁場を検出する生体磁気計測装置等において、光ポンピングを利用した磁気センサーが利用されている。このような磁気センサーとしては、ガスが封入された各セルに、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とが直交するように照射され、生体から発せられる磁場をプローブ光によって検出するものがある。下記特許文献1には、そのような光ポンピング原子磁力計が開示されている。 A magnetic sensor using optical pumping is used in a biomagnetic measuring apparatus that detects a magnetic field emitted from a living heart or the like. As such a magnetic sensor, each cell in which gas is sealed is irradiated so that pump light having a circularly polarized component and probe light having a linearly polarized component are orthogonal to each other, and a magnetic field emitted from a living body is generated by the probe light. There is something to detect. Patent Document 1 below discloses such an optical pumping atomic magnetometer.
ところで、複数の独立したセルを並べて生体の広範囲な部分を測定する場合、各セル内のガスの圧力が均一でなければセルにおける磁気の測定感度にばらつきが生じる。
本発明は、複数のセルを並べて磁気を測定する磁気計測装置において、セル内の圧力を均一にして測定精度を向上させる技術を提供する。
By the way, when measuring a wide part of a living body by arranging a plurality of independent cells, if the gas pressure in each cell is not uniform, the measurement sensitivity of magnetism in the cell varies.
The present invention provides a technique for improving the measurement accuracy by making the pressure in a cell uniform in a magnetic measurement device that measures magnetism by arranging a plurality of cells.
本発明の一態様に係る磁気計測装置は、円偏光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含むセルを複数有するセルアレイと、
前記各セルに対し、円偏光成分を有するポンプ光を照射するポンプ光照射部と、
前記ポンプ光の照射方向と直交するように前記各セルに対して直線偏光成分を有するプローブ光を照射するプローブ光照射部と、
前記プローブ光照射部によって前記各セルに照射されたプローブ光を検出する検出部と
を備え、
前記複数のセルは隣接するセルと壁により仕切られており、前記壁には孔が設けられ、
前記各セルのうち隣接する2以上のセルと接続されるセルは、隣接する一のセルに連通する前記孔を出入りする前記原子の移動方向の延長線と、隣接する他のセルに連通する前記孔に出入りする前記原子の移動方向の延長線とが一致しないように前記孔が設けられている。この構成によれば、各セル内のガスの圧力が均一になり、磁気の検出精度を向上させることができる。
A magnetic measurement device according to one embodiment of the present invention includes a cell array including a plurality of cells including therein an atomic group composed of a plurality of atoms excited by circularly polarized light,
A pump light irradiation unit that irradiates each cell with pump light having a circularly polarized light component;
A probe light irradiation unit that irradiates each cell with a probe light having a linearly polarized component so as to be orthogonal to the irradiation direction of the pump light;
A detection unit for detecting the probe light irradiated to each cell by the probe light irradiation unit,
The plurality of cells are separated from adjacent cells by walls, and holes are provided in the walls.
A cell connected to two or more adjacent cells among the cells is connected to an extension line in the moving direction of the atom entering and exiting the hole communicating with one adjacent cell and to another adjacent cell. The hole is provided so that the extension line in the moving direction of the atom entering and exiting the hole does not coincide. According to this configuration, the gas pressure in each cell becomes uniform, and the magnetic detection accuracy can be improved.
本発明に係る磁気計測装置は、別の好ましい態様において、前記複数の原子からなる原子群は、アルカリ金属原子であってもよい。
In another preferred aspect of the magnetic measurement apparatus according to the present invention, the atomic group composed of the plurality of atoms may be an alkali metal atom.
本発明に係る磁気計測装置は。さらに別の好ましい態様において、前記セル内部にバッファーガスが含まれていてもよい。
A magnetic measuring device according to the present invention. In still another preferred embodiment, a buffer gas may be contained inside the cell.
本発明に係る磁気計測装置は、生体の心臓等から発生される磁場を計測するものである。図1は、本発明に係る実施形態の磁気計測装置の構成を表すブロック図である。磁気計測装置1は、図1に示すように、磁気センサーアレイ10、ポンプ光照射ユニット20、プローブ光照射ユニット30、検出ユニット40を含んで構成されている。
The magnetic measurement apparatus according to the present invention measures a magnetic field generated from a living heart or the like. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a magnetic measurement device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the magnetic measurement device 1 includes a
ここで、磁気センサーアレイ10の構成について図2及び図3を用いて説明する。図2は、磁気センサーアレイ10を表す模式図であり、図3は、図2中の矢印A方向から磁気センサーアレイ10を見た模式図である。図2及び図3に示すように、本実施形態に係る磁気センサーアレイ10は、一列に配列された3つのセル11、12、13で構成されている。以下、これらを区別しない場合には単にセルと呼ぶ。
Here, the configuration of the
各セルは、光を透過するガラス等の素材で構成され、内部に所定の原子を含む立方体形状の物体である。セル内の所定の原子は、円偏光によって励起状態となり、スピン偏極する原子であり、例えば、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)及びフランシウム(Fr)等のアルカリ金属である。
また、セル内には、これらのアルカリ金属原子の他に、ヘリウム(He)、窒素(N)などのバッファーガスが含まれていてもよい。所定の原子は、気体(ガス)の状態でセルに含まれており、セル内でスピン偏極している原子は、検体からの磁場の大きさに応じて歳差運動を行う。尚、アルカリ金属の原子は磁気を検出する際に気体の状態であればよく、常時気体の状態でなくてもよい。
また、各セルには、隣接するセルと向かい合う面に孔a(a11、a21、a22、a31)が設けられている。各孔aの部分を、セルと同様の素材で形成された直線形状の管路である接続管b(b11、b12)で接続することで、セル11、12、13が接続される。このように、本実施形態では、各セルに設けた孔aを接続管bによって接続することで、各セル内におけるガスの圧力を一定にしている。
Each cell is made of a material such as glass that transmits light, and is a cube-shaped object that contains predetermined atoms inside. The predetermined atom in the cell is an atom that is excited by circularly polarized light and spin-polarized. For example, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) and An alkali metal such as francium (Fr).
In addition to these alkali metal atoms, the cell may contain a buffer gas such as helium (He) or nitrogen (N). Predetermined atoms are contained in the cell in the state of gas (gas), and the atoms that are spin-polarized in the cell perform precession according to the magnitude of the magnetic field from the specimen. The alkali metal atoms may be in a gaseous state when detecting magnetism, and may not always be in a gaseous state.
Each cell is provided with a hole a (a11, a21, a22, a31) on a surface facing an adjacent cell. The
また、図2及び図3に示すように、本実施形態の磁気センサーアレイ10は、接続管b11を出入りする原子の移動方向(破線矢印P1)の延長線と接続管b12を出入りする原子の移動方向(破線矢印P2)の延長線とが一致しないように構成されている。これは、各セルに孔aを設けることによって、セル内で歳差運動を行っている原子が接続管b(b11、b12)を経由して離れた位置にある他のセルへ移動すると、各セルにおける磁気を正確に測定できなくなるので、それを防止するための構成である。
例えば、図4(a)に示すように、接続管b11を出入りする原子の移動方向の延長線(破線矢印P1)と接続管b12を出入りする原子の移動方向(破線矢印P2)の延長線とが一致するように接続管b11及びb12が設けられている場合、即ち、接続管b11を介して原子がセル12に流入する方向の延長線上に接続管b12を設けた場合、セル11内の原子の一部は接続管b11を通ってセル12に移動し、その移動方向の延長上にある接続管b12を通ってセル13まで容易に移動できる。
これに対し、図4(b)に示すように、本実施形態では、接続管b11を出入りする原子の移動方向破線矢印P1の延長線と接続管b12を出入りする原子の移動方向破線矢印P2の延長線とが一致しないように接続管b11及びb12が設けられ、セル11、12、13が接続されている。即ち、接続管b11を介して原子がセル12に流入する方向の延長線上ではない位置に接続管b12が設けられた構成となっている。従って、セル11内の一部の原子が接続管b11を通ってセル12に移動しても、その移動方向と一致しない位置に接続管b12が設けられていることから、セル12に移動した原子は接続管b12の管路を容易に通過することができない。
このように、接続管b11及び接続管b12を出入する原子の移動方向の延長線が一致しないようにセルを接続することで、図4(a)の場合と比べて、セル11内の原子がセル13まで移動したり、セル13内の原子がセル11まで移動したりする等、セル11から離れた隣接していないセルへの移動を抑制することができる。その結果、各セルにおける磁気の測定において、測定対象領域から離れた位置において磁化された原子の影響を受けにくくすることができる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
For example, as shown in FIG. 4 (a), an extension line in the moving direction of the atoms entering and exiting the connecting tube b11 (broken line arrow P1) and an extending line in the moving direction of the atoms entering and leaving the connecting tube b12 (broken line arrow P2) When the connecting pipes b11 and b12 are provided so as to coincide with each other, that is, when the connecting pipe b12 is provided on the extension line in the direction in which atoms flow into the
On the other hand, as shown in FIG. 4B, in this embodiment, an extension line of the broken line arrow P1 of the atoms moving in and out of the connecting tube b11 and a broken line arrow P2 of the moving direction of the atoms moving in and out of the connecting tube b12 are used. Connection pipes b11 and b12 are provided so that the extension lines do not coincide with each other, and the
In this way, by connecting the cells so that the extension lines in the moving direction of the atoms entering and leaving the connecting tube b11 and the connecting tube b12 do not coincide with each other, the atoms in the
なお、本実施形態では、磁気センサーアレイ10のセルの数は一列に3つ並べられている例であるが、セルの数は複数であればこれに限らない。また、図2に示すように接続した一列のセル群を複数列並べたものを磁気センサーアレイとして用いてもよい。また、セルは立方体形状である場合について説明するが、セルの形状はこの形状には限らない。
In the present embodiment, the number of cells of the
以上が、本実施形態に係る磁気センサーアレイ10の構成である。次に、図4を参照して、ポンプ光照射ユニット20について説明する。図5(a)は、図2に示した磁気センサーアレイ10とポンプ光照射ユニット20を示す図である。ポンプ光照射ユニット20は、磁気センサーアレイ10の各セルに対して円偏光成分を有するポンプ光を照射するポンプ光照射手段として機能する。
図5(a)に示すように、ポンプ光照射ユニット20は、セル11、12、13の下面方向からポンプ光を各々照射するポンプ光照射部21、22、23を備えて構成されている。ポンプ光照射部21、22、23は、円偏光成分を有するレーザー光をポンプ光として出力する光源を各々有し、円偏光成分を有するポンプ光をセル11、12、13に対して各々照射する。ポンプ光照射部21、22、23の各々から照射されたポンプ光がセル11、12、13に入射すると、セル内の原子はポンプ光によってスピン偏極し、検体からの磁気の影響を受けて歳差運動を行う。
The above is the configuration of the
As shown in FIG. 5A, the pump
次に、図5(b)を参照して、プローブ光照射ユニット30及び検出ユニット40について説明する。図5(b)は、図2に示した磁気センサーアレイ10とプローブ光照射ユニット30及び検出ユニット40を示す図である。
プローブ光照射ユニット30は、磁気センサーアレイ10の各セルに対して直線偏光成分を有するプローブ光を照射するプローブ光照射手段として機能する。図5(b)に示すように、プローブ光照射ユニット30は、プローブ光照射部31、32、33を備えて構成されている。プローブ光照射部31、32、33は、直線偏光成分を有するレーザー光をプローブ光として出力する光源を各々有し、直線偏光成分を有するプローブ光をセル11、12、13に対して矢印方向に照射する。セル11、12、13に照射されたプローブ光は、各々のセル内の原子による歳差運動の回転力に応じて偏光面が回転され、セル11、12、13を透過して検出ユニット40に入射する。
Next, the probe
The probe
検出ユニット40は、磁気センサーアレイ10を透過したプローブ光を検出する検出手段として機能する。図5(b)に示すように、検出ユニット40は、検出部41、42、43を備えて構成されている。検出部41、42、43は、セル11、12、13に対応するフォトディテクタを有し、セル11、12、13を透過したプローブ光を各々のフォトディテクタで受光し、光量に応じた電気信号を解析して各セルにおいて受光したプローブ光の偏光面の回転角度を求め、回転角度に応じた磁気を検出する。
The
(動作)
次に、この磁気計測装置1を用い、検体から発せられる磁場を測定する場合の動作について説明する。磁気計測装置1において磁気の計測が開始されると、ポンプ光照射部21〜23の各々から円偏光成分を有するポンプ光が、磁気センサーアレイ10のセル11〜13の各々に対して照射される。これにより、セル11〜13内の原子はポンプ光によって励起されて同一方向にスピン偏極され、検体からの磁場に応じて磁気モーメントの方向を変化させて歳差運動を行う。このとき、例えば、セル11内の原子の一部は、接続管b11を通ってセル12へ移動するが、その移動方向の延長上でない位置に接続管b12が設けられているため、接続管b12を通ってセル13まで直接的に移動することが制限される。この結果、各セルにおける原子は隣接しないセルへの移動が抑制される。また、各セルに設けられた孔aを接続する接続管b11、b12によって各セルが連通されているため、各セルにおけるガスの圧力は均一となっている。
(Operation)
Next, the operation in the case of measuring the magnetic field emitted from the specimen using the magnetic measurement apparatus 1 will be described. When magnetism measurement is started in the magnetic measuring device 1, pump light having a circularly polarized component is irradiated to each of the
続いて、プローブ光照射ユニット30のプローブ光照射部31〜33の各々から直線偏光成分を有するプローブ光が、セル11〜13の各々に対し、ポンプ光と直交するように照射される。セル11〜13の各々に入射されたプローブ光は、各セル内の原子が受けている磁場の大きさに応じて偏光面が回転されて各セルを透過する。セル11〜13を透過したプローブ光は、各セルに対応する検出部41〜43の各々に入射し、検出部41〜43においてプローブ光が受光される。そして、検出部41〜43において、プローブ光の光量に応じた電気信号を解析し、プローブ光の偏光面の回転角を求め、セル11、12、13における磁気を検出する。
Subsequently, each of the probe
このように、上記実施形態に係る磁気センサーアレイ10は、各セルに設けた孔aを接続管bで接続して構成されているため、各セルにおけるガスの圧力を一定にすることができる。また、磁気センサーアレイ10は、接続管b11を出入りする原子の移動方向の延長線と接続管b12を出入りする原子の移動方向の延長線とが一致しないように、各セルを接続管b11及びb12によって接続して構成されているため、各セル内のガスの圧力が均一になり、各セルにおける磁気の測定感度を一定にすることができる。また、隣接しないセルへの原子の移動を最小限に抑制することができ、各セルにおける磁気の測定精度が向上する。
Thus, since the
<変形例>
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のように変形させて実施してもよい。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
(1)上述した実施形態では、磁気センサーアレイ10の各セルを接続する接続管bが隣接面に対して垂直に設けられている例であったが、隣接面に対して一定角度だけ傾斜するように接続管bを設けるように構成してもよい。このような例を図6に示す。図6は、本変形例に係る磁気センサーアレイ10を示す模式図である。この図において、セル11の孔a11はセル12の孔a21より上面側の高い位置に設けられ、また、セル12の孔a22はセル13の孔a31より上面側の高い位置に設けられており、これらの孔aを接続する接続管b11とb12は、セル11、12、13において接続された面に対して傾斜している。なお、セル12において、孔a21とa22をできるだけ離れた位置に設けるように構成することで、隣接しないセルへの原子の移動をより抑制することができる。
<Modification>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be carried out by being modified as follows. Further, the following modifications may be combined.
(1) In the above-described embodiment, the connection pipe b that connects each cell of the
(2)また、上述した実施形態では、接続管bは管軸方向に直線状に伸びる直線形状である例について説明したが、接続管bは、管軸が曲線部分を有してもよいし、屈曲する部分を有していてもよい。このような例を図7に示す。図7は、本変形例に係る磁気センサーアレイ10を示す模式図である。図7(a)は、上述した変形例1の接続管b11及びb12に代えて、管路が曲線形状の接続管b21及びb22で各セルを接続した例である。
また、図7(b)は、上述した変形例1の接続管b11及びb12に代えて、管路が屈曲した形状の接続管b31及びb32によって各セルを接続した例である。このように、接続管bを曲線形状や屈曲した形状にすることにより、直線形状の接続管と比べて原子の移動を抑制することができる。
(2) In the above-described embodiment, an example in which the connection pipe b has a linear shape extending linearly in the pipe axis direction has been described. However, the connection pipe b may have a curved portion. , May have a bent portion. Such an example is shown in FIG. FIG. 7 is a schematic diagram showing a
FIG. 7B shows an example in which each cell is connected by connecting pipes b31 and b32 having a bent pipe shape instead of the connecting pipes b11 and b12 of the first modification described above. Thus, by making the connecting tube b into a curved shape or a bent shape, the movement of atoms can be suppressed as compared with the connecting tube having a linear shape.
(3)また、上述した実施形態では、磁気センサーアレイ10において、各セルは接続管bの長さ分だけ離れた位置に配置されて構成されている例であったが、セルの上面又は下面の一部分が隣接するセルと連結されて構成され、連結部分を接続管bとして機能させるように構成してもよい。このような例を図8に示す。図8は、本変形例に係る磁気センサーアレイ10を示す模式図である。図8の例では、セル11とセル12の隣接面における上部の一部に開口部a11、a21が設けられ、セル12とセル13の隣接面における下部の一部に開口部a22、a31が設けられており、開口部a11とa21を接続管b41で接続し、開口部a22とa31を接続管b42で接続している。これにより、セル11とセル12の上面の一部が連結され、セル12とセル13の下面の一部が連結された磁気センサーアレイ10が形成される。この場合も、実施形態と同様、接続管b41を出入りする原子の移動方向の延長線とb42を出入りする原子の移動方向の延長線とが一致しないように構成されているため、例えば、セル11内の原子がセル13へ容易に移動することができず、隣接しないセルへの原子の移動を抑制することができる。また、セルの一部が隣接するセルと連結されているため、セルを高密度に配置することができる。
(3) In the above-described embodiment, in the
(4)上述した実施形態では、接続管bによって各セルを接続する例であったが、例えば、図9に示すように、接続管bを用いずに磁気センサーアレイ100を構成してもよい。図9の例では、例えば、セル101とセル102を仕切る壁には各セルに共通の孔a1が設けられており、セル101とセル103を仕切る壁には共通の孔a2が設けられている。またセル102とセル104とを仕切る壁には共通の孔a3が設けられており、他のセルも同様に隣接するセルとの間を仕切る壁に共通の孔aが少なくとも2つ設けられている。このように、全てのセルにおいて、隣接するセルとの間に孔aを設けることで、各セル内のガスの圧力を一定にすることができる。また、図9に示すように、各セルにおける共通の孔は、当該セルにおける一の孔を原子が移動する移動方向と他の孔を原子が移動する移動方向とが一致しないように設けられている。
(4) In the above-described embodiment, each cell is connected by the connection pipe b. However, for example, as shown in FIG. 9, the
つまり、例えば、セル101の孔a1の位置に対し、セル102の孔a3は、孔a1が設けられている壁に対向する壁の下方向に設けられており、孔a1を出入りする原子の移動方向の延長線と、孔a3を出入りする原子の移動方向の延長線とが一致していない。従って、セル101内の原子が孔a1を通過してセル102に移動したとしても、その移動した原子が、その移動方向に沿ってセル104へ移動することはできないため、セル101からセル104へ容易に移動することができない。他のセルについても同様である。
That is, for example, with respect to the position of the hole a1 of the
なお、この磁気センサーアレイ100の各セルに対してポンプ光及びプローブ光を照射する場合には、磁気センサーアレイ100の下面から矢印X方向にセル単位にポンプ光を照射するようにポンプ光照射部を設けると共に、A1、A2、A3の各列のセル群に対して矢印Y方向にプローブ光を照射するようにプローブ光照射部を設けるように構成する。
そして、測定対象領域に対応するセル毎にポンプ光を照射するように、各ポンプ光照射部を制御するポンプ光照射制御部を備えると共に、ポンプ光を照射したセルの列に対してプローブ光を照射するプローブ光照射部の制御を行うプローブ光照射制御部を備えるように構成する。ポンプ光が照射されたセル内の原子は、ポンプ光によって励起されて歳差運動を行うので、当該セルを透過したプローブ光を検出することにより各セルにおける磁気を検出することができる。なお、各セルにおける磁気の検出を行う場合、隣接するセルが連続しないようにセルを選択してポンプ光及びプローブ光を照射するようにポンプ光照射部及びプローブ光制御部を制御することで、測定対象のセルと隣接するセル内の原子の影響を受けずに磁気を測定することができる。
In addition, when irradiating each cell of the
And it has a pump light irradiation control part which controls each pump light irradiation part so that pump light may be irradiated for every cell corresponding to a measurement object field, and probe light is applied to the row of cells irradiated with pump light. It comprises so that the probe light irradiation control part which controls the probe light irradiation part to irradiate may be provided. The atoms in the cell irradiated with the pump light are precessed by being excited by the pump light, so that the magnetism in each cell can be detected by detecting the probe light transmitted through the cell. In addition, when performing magnetic detection in each cell, by controlling the pump light irradiation unit and the probe light control unit so as to irradiate the pump light and the probe light by selecting the cells so that adjacent cells do not continue, Magnetism can be measured without being affected by atoms in a cell adjacent to the measurement target cell.
1・・・磁気計測装置、10,100・・・磁気センサーアレイ、11,12,13・・・セル、20・・・ポンプ光照射ユニット、21,22,23・・・ポンプ光照射部、30・・・プローブ光照射ユニット,31,32,33・・・プローブ光照射部、40・・・検出ユニット、41,42,43・・・検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (3)
前記各セルに対し、円偏光成分を有するポンプ光を照射するポンプ光照射部と、
前記ポンプ光の照射方向と直交するように前記各セルに対して直線偏光成分を有するプローブ光を照射するプローブ光照射部と、
前記プローブ光照射部によって前記各セルに照射されたプローブ光を検出する検出部と
を備え、
前記複数のセルは隣接するセルと壁により仕切られており、
前記壁には孔が設けられ、
前記各セルのうち隣接する2以上のセルと接続されるセルは、隣接する一のセルに連通する前記孔を出入りする前記原子の移動方向の延長線と、隣接する他のセルに連通する前記孔に出入りする前記原子の移動方向の延長線とが一致しないように前記孔が設けられていることを特徴とする磁気計測装置。 A cell array having a plurality of cells containing therein an atomic group consisting of a plurality of atoms excited by circularly polarized light;
A pump light irradiation unit that irradiates each cell with pump light having a circularly polarized light component;
A probe light irradiation unit that irradiates each cell with a probe light having a linearly polarized component so as to be orthogonal to the irradiation direction of the pump light;
A detection unit for detecting the probe light irradiated to each cell by the probe light irradiation unit,
The plurality of cells are separated from adjacent cells by walls,
The wall is provided with holes,
A cell connected to two or more adjacent cells among the cells is connected to an extension line in the moving direction of the atom entering and exiting the hole communicating with one adjacent cell and to another adjacent cell. The magnetic measurement apparatus according to claim 1, wherein the hole is provided so that an extension line in a moving direction of the atom entering and exiting the hole does not coincide with the hole.
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